中國粉體網(wǎng)訊 現(xiàn)代航空發(fā)動機高壓渦輪普遍采用鎳基高溫合金，其最高工作溫度大約是1100℃，四代航空發(fā)動機渦輪前溫度已經(jīng)達到1600℃，抵達材料表面溫度也有1100℃，此種高溫極端環(huán)境下材料易變軟，導致無法承受高速運動產(chǎn)生的應(yīng)力，且未來發(fā)動機燃氣溫度有可能超過2000℃，抵達材料表面溫度更在1500℃以上，因此僅憑鎳基高溫合金材料本身已不能適應(yīng)要求，需要熱障涂層來進一步降低材料工作溫度。
熱障涂層（TBCs）是先進燃氣渦輪發(fā)動機核心熱端部件高壓渦輪葉片的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在航空發(fā)動機和地面燃氣輪機上獲得成功應(yīng)用的熱障涂層陶瓷隔熱層材料為氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）。由于受高溫穩(wěn)定性、隔熱性能等的局限，YSZ已不能滿足下一代航空發(fā)動機的發(fā)展要求。因此，近十幾年來，國內(nèi)外研究人員針對新型熱障涂層陶瓷材料、制備工藝、性能表征及性能預測等方面展開了廣泛而深入的研究。
近日，中國建筑材料科學研究總院有限公司所屬國檢集團研究團隊在《Ceramics Internatioal》發(fā)表了題為《高熵氧化物陶瓷的合成、微觀結(jié)構(gòu)和熱物理性能》的論文。國檢集團萬德田團隊探討了高熵稀土鋯酸鹽陶瓷的致密化合成及微觀結(jié)構(gòu)和熱物理性能，探索其在熱障涂層領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
該研究主要是采用冷等靜壓結(jié)合無壓燒結(jié)法合成出致密度為93.7%RD的高熵氧化物陶瓷。對其微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)進行了系統(tǒng)表征，探索出其本征硬度為7.9GPa，抗彎強度為187.9MPa。此外，彈性模量和剪切模量分別從25℃時的148.05GPa和56.68GPa下降到1200℃時的117.44GPa和44.63GPa。在25-1200℃溫度范圍內(nèi)，熱擴散系數(shù)從0.0053cm3/s 降至0.0041cm3/s，熱膨脹系數(shù)為11.0×10-6K-1。高熵氧化物陶瓷優(yōu)異的隔熱性能及其與鎳基超合金相似的熱膨脹系數(shù)表明，該材料在隔熱涂層領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
什么是高熵熱障涂層陶瓷材料？
高熵熱障涂層陶瓷材料以原有材料的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在特殊原子占位上引入局部高熵設(shè)計，使得材料的某些性能因高熵設(shè)計得以改善，從而更好地滿足熱障涂層使用要求。
目前，絕大部分高熵熱障涂層陶瓷材料中的高熵設(shè)計均以稀土元素為主，這是由于鑭系元素具有原子尺寸差異小、性質(zhì)相似的特點，更有利于形成穩(wěn)定的單相固溶體，從而達到調(diào)控材料綜合性能的目的。其中，高熵稀土鋯酸鹽陶瓷均具有良好的高溫相穩(wěn)定性、良好的抗燒結(jié)性以及超低的熱導率，高熵稀土鋯酸鹽在諸多綜合性能的組合上達到了較好的平衡。
幾種典型高熵熱障涂層陶瓷材料性能優(yōu)缺點的對比
高熵熱障涂層陶瓷熱導率、熱膨脹系數(shù)和斷裂韌性比較
高熵熱障涂層陶瓷材料熱導率的降低是比較明顯的趨勢，熱膨脹性能和斷裂韌性也能得到一定程度的調(diào)控。為滿足下一代高推重比、低油耗比的高性能航空發(fā)動機的研制需求，新一代熱障涂層陶瓷候選材料層出不窮�？梢灶A見，高熵稀土鋯酸鹽、高熵稀土鉭酸鹽和高熵稀土氧化物等是未來新型熱障涂層陶瓷層較有潛力的幾種代表材料。
來源：中國建材總院
羅學維等：高熵熱障涂層陶瓷材料研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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